ECOSun Economic COgeneration by Efficiently COncentrated SUNlight

Projektverlauf

Die übergeordnete Projektstruktur umfasst einen systematisch-holistischen Ansatz und geht „vom Groben zum Feinen“ vor, analog zu bewährten Entwicklungsmethoden wie z. B. der VDI-Richtlinie 2221. Im Fall von ECOSun bedeutet das eine Betrachtung vom virtuellen Gesamtsystem über die detaillierte Hardwareentwicklung einzelner Komponenten bis hin zu einem funktionsfähigen Testaufbau in Laborumgebung. Die Projektstruktur charakterisiert sich durch folgende wesentliche Merkmale:
– Das Projektkonsortium besteht aus 3 Forschungseinrichtungen (TUG, GÜNAM und CTTC) und 2 Industriepartnern (IMK-Solarmirrortec und iTech Solar). Alle Partner wurden strategisch ausgewählt, so dass ein ausgewogenes Konsortium, welches in der Lages ist sämtliche Forschungsfragen kompetent zu beantworten, entstand.
– Alle Arbeitspakete sind so konzipiert, dass es klare Systemgrenzen und je einen eigenen designierten WP-Leiter gibt. Das gleiche gilt für alle Meilensteine und Deliverables.
– Drei der fünf Partner befinden sich in Ländern mit hoher Eignung für die Conzentrator-Solartechnologie (Spanien und Türkei). Dies ist nicht nur für die praktische Erprobung, sondern vor allem für die Kommerzialisierung der Technologie von großer Bedeutung.
Im Zuge des ersten Forschungsjahres wird vorwiegend eine Gesamtsimulation des Systems ausgearbeitet, auf deren Basis einerseits die optimalen Anwendungen (Marktpotentiale) der ECOSun-Technologie ermittelt werden und andererseits ein detailliertes Anforderungsprofil definiert wird. Es folgt eine Entwicklung der technologischen Schlüsselkomponenten und abschließend eine finale Assemblierung und Validierung des Systems in Laborumgebung.

Meilensteine

1. 1. CPV-Zelle: Als besondere Innovation wird eine Silizium-basierte, kristalline Solarzelle entwickelt, welche bei 60-facher Lichtkonzentration hohe Wirkungsgrade erreicht und unter erhöhten Temperaturen arbeiten kann. Aufgrund des Konzentrationsfaktors ist deutlich weniger aktive Zellfläche erforderlich, was die spezifischen Kosten (€/W_p) stark senkt. (In der Großserie sind Spiegel für 2~5 €/m2 verfügbar, während klassische PV Paneele in etwa 70~100 €/m2 kosten.)
2. 2. Kühlkörper und Thermo-Management: Kühlstrategie und entsprechende Hardware werden im Hinblick auf kostengünstige industrielle Serienfertigung, maximale Lebensdauer und höchste System-Performance optimiert. Im Vordergrund steht dabei der ideale Betriebspunkt der CPV-Zelle, der eng mit dem Temperaturniveau der Wärmenutzung verknüpft ist. Die Integration von Zelle und Kühlelement erlaubt ideale Robustheit sowie eine im Hinblick auf ökonomische Herstellung und einfache Assemblierung ausgelegte Architektur.
3. 3. Spiegel und Mechanische Struktur: Nachdem Spiegelelemente, Tragstruktur-Bauteile, sowie der dazugehörige Montageaufwand meist für den größten Kostenanteil von CSP- und CPV-Anlagen verantwortlich sind, wird ein völlig neuer Ansatz auf Basis von großserientauglichen (Spritzguss-)Formteilen verfolgt. Somit kann nicht nur eine Unabhängigkeit von Fluktuationen am globalen Metallmarkt erlangt werden, sondern es wird auch eine einfache Assemblierung durch ungeschultes Personal ermöglicht. Neue Möglichkeiten der Werkstoffwahl und konsequenter Leichtbau resultieren in einer weiteren CO2-Reduktion beim Transport der Bauteile.

Ergebnisse

Die Innovationsziele und damit in Verbindung stehenden geplanten Ergebnisse liegen hauptsächlich in der Entwicklung von 3 Low-Cost Schlüsselelementen:
1. Silizium-basierte PV-Zellen, die speziell für die vorgeschlagene Conentrator-Anwendung entwickelt werden und mit industriellen Fertigungsmethoden herstellbar sind. Anstatt eine hochpreisige Hochleistungs-Zellenarchitektur zu verwenden, wird mit c-Si als Basismaterial ein besseres Effizienz-Kosten-Verhältnis angestrebt. Die Reichhaltigkeit des Elements Silizium und der Reifegrad der Si-Verarbeitung ermöglichen eine radikale Kostenreduktion, während die Verwendung eines konzentrierenden Systems hilft, den Rohstoffbedarf weiter zu reduzieren. Die c-Si-Zelle wird in einer Pilotproduktionslinie des Partners GÜNAM hergestellt, um die Marktreife des Prozesses nachzuweisen. Darüber hinaus werden Mechanismen, welche die Zelleffizienz bei erhöhten Temperaturen reduzieren untersucht und entschärft, um maximale Elektrizitätsausbeute bei hohen Betriebstemperaturen zu garantieren.
2. Ein intelligentes Kühlkörperdesign und Wärmemanagement, mit dem Ziel einer einfach zu fertigenden Architektur und einer optimalen Betriebstemperatur der c-Si-PV-Zelle. Besonderes Augenmerk wird auf die Temperaturbeherrschung für maximale thermische Effizienz und maximale Lebensdauer der PV-Zellen gelegt. Dabei werden zwei Hauptziele angestrebt:
a) Das Design des Kühlsystems muss den die Erzeugung von Strom und Wärme mit minimalen Verlusten ermöglichen.
b) Kühlkörper und CPV-Zelle müssen auf intelligente Weise integriert werden, um einen einfachen Austausch von defekten Teilen (z.B. PV-Zellen) zu ermöglichen, ohne die Integrität der gesamten Baugruppe zu gefährden.
3. Eine Kostengünstige, leichte, im Spritzgussverfahren hergestellte Spiegelträgerstruktur. Dieses Innovationsziel basiert nicht nur auf technischen Überlegungen, sondern soll es Europa ermöglichen wieder eine führende Rolle als globaler CSP/CPV-Komponenten-Lieferant einzunehmen. Bereits in der Vergangenheit wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um die Kosten für Spiegel-Trägerstrukturen von Parabolrinnenkollektoren und anderen CSP-Anwendungen zu reduzieren. Während diverse experimentelle Ansätze wie Parabolrinnen aus Beton noch einen sehr niedrigen Reifegrad aufweisen, versucht ECOSun die Anwendung etablierter Großserientechnologien in neuen Bereichen des CPV-Marktes. Eine monolithische Kunststoff-Struktur, die im Spritzgussverfahren hergestellt wird würde eine Off-Site-Produktion in Europa ermöglichen.